基于气雾化的Cu基合金凝固结晶行为及其性能研究

发布时间：2020-05-19 18:54

【摘要】：粉末冶金技术的发展以及现代工业广泛使用微纳米粉体合成技术合成块体材料,使块体材料的性能有了极大提高,这激发了工业市场的粉体需求。3D打印技术的发展,进一步促进了钛、铝、镍、钢基等合金粉末在航空航天、造船、汽车、冶金以及发电等行业中的巨大应用。然而,3D打印技术对粉末形貌、球形度及粒度分布等要求非常严格,粉末质量限制了该技术的应用。非晶粉末因其表面光滑等优点可解决这个问题,但非晶粉末的制备需要低氧以及大过冷度等条件。基于此,本文通过自主设计气雾化所需要的合金熔炼系统以及气雾化系统,按6:5的原子比熔炼纯Cu和纯Sn,按46:42:7:5的原子比熔炼纯Cu、纯Zr、纯Al和纯Y,得到母合金后进行雾化实验,研究气雾化装置参数对雾化效果的影响,制备Cu6Sn5合金化合物粉末以及非晶Cu_(46)Zr_(42)A_l7Y_5粉末,通过XRD、DSC以及SEM等表征手段分析这两种粉末的组织,最后探讨这两种气雾化粉末的新应用。试验结果表明,对于中低熔点金属或合金,当喷嘴的导液管内径为1.5mm、辅助雾化气压P1为0.07 MPa以及主雾化气压P2为0.15 MPa时,雾化效果最好。试验中成功制备了含有Cu6Sn5、Cu3Sn和Sn三相混合的Cu-Sn合金粉末。粒径较大的粉末含有Cu3Sn和Sn相的比例较多,粒径小的粉末含有较多的Cu6Sn5相,这与多位点形核、表面形核以及相选择有关;合金粉末表面具有明显的组织尺寸效应,粉末经过适当的热处理可变成单一相的Cu6Sn5化合物粉末,这种化合物粉末可应用于芯片倒装领域,可实现耐高温需求的有效互连。对于高熔点金属或合金,当喷嘴的导液管内径为1.5 mm,辅助雾化气压P1为0.07 MPa以及主雾化气压P2为0.3 MPa时,雾化效果最好。试验中成功制备了Cu_(46)Zr_(42)A_l7Y_5粉末。粉末的粒度分布较多集中在70μm和200μm之间,平均粒径约为120μm,其中160μm为非晶粉末和晶体粉末分界的临界尺寸。随着粉末粒径变小,粉末表面出现块状、块状河流花样混合态以及光滑面的组织形态,这也与多位点形核、表面形核以及相的选择有关;Cu_(46)Zr_(42)A_l7Y_5合金粉末硬度与粉末的晶态和非晶态关系密切,而与粉末尺寸大小的关系不大;另外,非晶Cu_(46)Zr_(42)A_l7Y_5粉末也可用于倒装芯片领域实现有效的互连,接头的断裂多呈现韧性断裂及脆性断裂的混合模式。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士专业学位论文化学反应和物理粉碎两种方式同时作用实现粉末制备的方法。氢化脱氢法最为常见，它利用金属易吸氢增脆的特性，使金属生成金属氢化物，然后将金属氢化物破碎成的粉末，最后将金属氢化物粉末中的氢脱除得到金属粉末。氢化脱氢法由于其工艺参数易于控制，生产效率高，所得粉末纯度高等优点而被广泛应用在 Ti 粉[25]、Zr 粉[26]、Ta 粉[27]等金属和合金粉末的制备。但该方法只适用于易与氢气反应、吸氢后变脆易破碎的金属材料，对其他材料粉末的制备并不理想。

哈尔滨工业大学工程硕士专业学位论文体的流场特征研究。图 1-2 即为利用两种流体进行雾化的主要实现方式及其雾化喷嘴的结构。图 1-2a)即为垂直雾化方式，即两种流体（介质流和液流）的流动方向呈90°，金属熔化形成液流后，在重力作用下流动到气流层实现雾化，但这种雾化过程不容易控制，雾化喷嘴容易被金属堵住，所得粉末粒径较粗使得该方法难以在现实生产中得到应用。图 1-2b)即为 V 型雾化方式，介质流呈一定角度冲击熔融的金属液流以实现雾化制粉，这种方法更适用于水雾化，喷嘴的堵塞问题只是得到一定的改善，并没有得到解决。图 1-2c)为环孔喷射方式，喷嘴上的固定位置均匀分布有夹角为 60°的小气孔，气体通过这些小孔后形成高压气体，高压气体冲击金属液流实现雾化，雾化效率比前两种雾化方式高，但也会出现喷嘴堵塞的问题。图 1-2d)为环缝喷射方式，，它比环孔喷射方式的辐射范围更广，雾化效率高，但是依然存在喷嘴堵塞的问题。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TF123.23

【参考文献】

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1 康建刚;江W

本文编号：2671326